摘 要：介绍我国高速铁路桥隧过渡段工程现状，并基于国内外列车在峡谷地区的典型倾覆事故调研，讨论高速铁路桥隧过渡段峡谷风对行车安全的挑战与风险。根据桥隧过渡段地形地貌特点和高速列车运动过程，讨论高速铁路桥隧过渡段风场结构的横向切变效应和车体气动荷载纵向突变效应对行车安全的不良影响。结合现有研究基础，系统介绍高速铁路桥隧过渡段气动力学和行车安全分析的关键技术，主要包括高铁桥隧过渡段峡谷风特征现场测试、横风-移动车-桥隧过渡段风洞试验、横风-移动车-桥隧过渡段CFD模拟，以及风-车-轨-桥/隧耦合动力学分析方法等。最后基于以上分析，从峡谷分类及其风场特征、行车管控技术体系、智能防风措施及安全技术指标、峡谷风在线监测及预警预报系统等4个方面，提出高速铁路桥隧过渡段深化研究的相关思考与建议。
关键词：高速铁路;桥隧过渡段;环境风;行车安全;防风措施
1 高铁桥隧过渡段行车安全的挑战与风险
1. 1 我国高铁桥隧过渡段工程现状
我国是多山国家，为满足高速列车对线路高平顺度的运行要求[1]，高速铁路全线以大量桥梁与隧道的形式通过，其中武广高铁桥梁与隧道的全线占比约为69.2%，沿线出现多处桥梁-隧道直接相连的形式。对于西部山区，全线中的桥隧占比更加突出(见图1)，如沪昆高铁贵州段全线92%以上都是桥梁或隧道结构，甚至出现大范围隧/桥交错布置的现象。此外，正在建设的沿海高速铁路也广泛存在桥隧相连这一典型工程结构型式。
1. 2 行车安全的挑战与风险
桥隧过渡段通常伴随着幽深峡谷地形，一般位于区域性的气流通道，表现为强烈的峡谷风，如云南下关位于山口处，是有名的“风城”，8 级以上的大风天气超过全年天气的三分之一[2]。山区峡谷风给列车行车安全会带来严重的风险和挑战[3]，国内外均出现过列车在峡谷地区的倾覆事故 (见图 2)。欧洲阿尔卑斯山区铁路横风吹翻列车的事故次数远高于其他地区，其中1990年2月，在瑞士Oberalpsee 附近的高路堤上，大风将一列正在停运避风的6辆编组列车吹翻，当时风速超过罕见的 56 m/s;2002 年，奥地利 Pinzgau 线的 DMU 列车在山间行驶过程中，在曲线段被大风吹翻脱轨;2003年意大利Samo地区货物列车被大风吹翻。
基础设施与地形耦合条件下的特殊风环境对列车绕流流场的影响不容忽视，特别是高速列车往往采用曲线线形，空气横向力、升力与离心力叠加导致列车翻车的可能性大大增加[4-5]，例如日本山阴县香住—滨坂之间的余部桥，是典型的隧道-桥梁-隧道结构型式，1986年列车掉海事故[6]也是由于湍流特征显著的强横风作用，当时牵引机车加7辆客车在列车驶出隧道的瞬间，列车除1具转向架之外全部从桥上坠落大海 (见图3)，事故造成了6人丧生和6人重伤的严重后果。
2 桥隧过渡段风场特性
由于峡谷地形和桥梁结构物的影响，桥隧过渡段的风环境往往更加复杂，列车在桥隧段行驶过程中承受瞬间的气动荷载突变，加之横风环境下的风-桥和风-车耦合振动，使高速铁路在桥隧过渡段存在重大安全隐患。Bocciolone 等[7] 为此进行了专项风洞和动模型相结合的试验，研究结果表明：列车通过桥隧过渡段的气动突变效应对车体安全的威胁不容忽视。近年来越来越多的证据表明，横风对高速列车的影响更加普遍，即对于一般隧道条件地段，洞口外部的横风也往往引起车体横向摆动。
2. 1 峡谷地段的横向切变风特征
风切变是指空间内任意两点的风速风向差，主要是由大气运动本身变化和复杂地表地形地貌2种因素组成。干线铁路桥梁附近地貌多呈现山体和沟谷纵横的复杂地貌特征，而桥隧过渡段则更多是坐落于陡峻山体和深切峡谷之中，区域性的大气流动在山谷水平运动受地形的影响。在开阔地段大气流动沿着山涧沟谷纵向流动，对于往往建设在最为狭窄处的桥隧过渡段，风速和风向可能在局部地段出现大范围变化，表现为水平和垂直2个方向的极速切变，甚至出现垂直于岩壁的向上运动。
强烈切变风的存在会对桥梁等造成严重的破坏作用，甚至导致恶性交通安全事故。1970—1985 年的 16年间，至少发生过28起与低空风切变有关的飞行事故。桥隧过渡段强烈的切变风对高速列车的安全影响也不容忽视，其中：水平方向的切变风会增大轮轨倾覆和轮轨横向接触力等指标，甚至可能影响车体运行姿态;垂直方向的切变风则会提高轮重减载率，甚至会出现瞬间轮轨相互脱离的现象。而高速列车的倾覆系数和轮重减载率持续恶化，进而诱发高速运行的列车姿态失控。
2. 2 桥隧过渡段列车荷载的纵向突变效应
桥梁与隧道的气动荷载环境差异显著，其中隧道基本属于封闭的基础设施，列车在隧道内行驶过程中基本不受外部风环境的影响，而桥梁则处于开放式的气动环境，受到风雨雪等各种气象条件的影响。当列车在桥隧过渡段行驶过程中，作用于车辆的气动荷载表现出显著的突变特征，即表现为气动荷载的瞬间加载(由隧道驶入桥梁)或减载(由桥梁驶入隧道)(见图4)。
随着列车速度的提高，该加卸载的过程更加极速，对于时速 350 km 的高速列车，作用于单节车厢的加卸载反应时间约为 0.2 s，相当于沿纵向上连续性水平气动冲击 (由桥梁驶入隧道运行时，可认为作用于车辆水平气动荷载的反向加载)。
由于空气动力学效应的影响，高速列车在隧道内行驶过程中本身存在点头、尾车抬升和纵向蛇行等复杂气动行为，随着列车的水平荷载突变以及横向切变风的影响，车体的气动力学行为必将更加突出，甚至会出现潜在的侧向倾覆风险。计算流体动力学 (CFD) 仿真表明[8-9]：列车在桥隧过渡段的气动行为包括左右摆动、点头、蛇行和纵向起伏等姿态，且头车、中间车和尾车存在显著差异。
3 高铁桥隧过渡段列车气动模拟与耦合动力分析
3. 1 峡谷风风场测试
3. 1. 1 测点布置
以隧道进口为起点，沿峡谷或在桥面适当位置布置测点，可采用三维超声风速仪、二维超声风速仪、三杯式风速仪、激光风廓线雷达、地面大气和地气交换自动观测系统等设备。三维超声风速仪可用于测量脉动时程风速，可测量0～65 m/s的风速风向数据，分辨率为 0.01 m/s，精度可达 1.5%RMS@12 m/s，采样和输出频率均为32 Hz (典型高速列车的横向振动频率一般不超过 1 Hz，远小于 16 Hz，满足香农采样定理)。不同风速监测设备可相互验证，确保采集数据的可靠性。测试系统见图5。
3. 1. 2 数据处理方法
由于本研究主要关注水平面上垂直线路方向上的风速分量，现指定u方向为垂直线路方向，以指向南方为正方向;w的正方向为竖直向上;v的正方向则根据右手螺旋法则来确定。可直接从超声风速仪读取的原始数据为：水平面上的合风速UH、合风向角θ以及竖直方向上的风速Uw。以上数据无法直接用于三维脉动风特性的研究，因此还需将水平面上的合风速UH分解成u和v 两个方向上的分量Uu和Uv。
对于非平稳风速模型，则依据 Gramer 分解理论，将风速时间序列分解为时变趋势成分和平稳 (或非平稳) 的零均值随机成分。因此，顺风向风速可分解为时变平均风U (t) 和零均值的脉动风u* (t)，而对水平横风向和竖向风速也可进行类似分解。引入时变平均风的概念后，基于非平稳风速模型的各项脉动风参数计算公式相应也要做一些调整。
现有研究结果表明：地形特征对峡谷山区桥隧过渡段的平均风特性存在非常明显的影响，在临近峡谷壁面的隧道洞口处风场将可能产生加速效应。峡谷风的功率谱在沿线路方向上存在显著差异性，且越靠近隧道洞口风场功率谱差异性越显著，此外现行规范方法不能很好地预测洞口段风场特征。
3. 2 横风-移动车-桥隧过渡段风洞试验
以中南大学风洞试验平台为基础，在12 m宽的风洞低速试验段横向设置动模型试验轨道，即风洞提供横风环境，而动模型轨道运行列车模型，同时在轨道上布置桥梁和隧道模型，实现横风-移动车-桥隧过渡段室内试验，其中列车加速系统可由高速同步伺服电机和弹射橡胶带的方式提供，而减速系统由安装于轨道内侧的若干条沿纵向逐段增厚的橡胶条完成。该试验系统最高风速为20 m/s，最高模型车速可达300 km/h，能够真实再现高速列车通过桥隧过渡段车体的气动效应(见图6)。
3. 3 横风-移动车-桥隧过渡段CFD模拟
基于现场测试得到的风场特征和相关参数，建立以 Poly-Hexcore 体网格为主的列车-隧道-桥梁 (或平地) -空气的三维精细化CFD动网格数值模型，实现动列车条件下三维自然风场的重构，开展横风条件下高速铁路桥隧过渡段列车气动荷载研究。结果表明[9]：(1) 相对于一般的隧道洞口外部横风，列车在经过桥隧过渡段时，各节车厢的各项气动荷载最大波动幅度均显著增大，其中横向力、升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩分别增大 49.4%、69.1%、45.5%、40.1% 和 97.9%;(2) 头车在桥隧过渡段的横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩的变化幅度分别约等 于 桥 梁 段 相 应 值 的 6.0、 2.3、 3.3、 4.2 和 5.2 倍 ;(3) 桥隧过渡段的风场特征对隧道也有显著影响，无论是头车驶出隧道时还是完全运行于桥梁时，其各项气动荷载的变化幅度以及相应的稳态值均与来流的平均风速呈强正相关关系(见图7)。
3. 4 风-车-轨-桥/隧耦合动力学分析
在不考虑风荷载作用下，车辆激振是桥梁最主要的振动源，高速列车轮轨作用下会引起桥梁结构的振动，而桥梁的自身振动又会反馈到行驶车辆，二者相互激发和影响，表现为复杂的车-桥耦合振动。在考虑风荷载的作用下，桥上车辆处于桥梁的气动绕流中，车辆和桥梁间有明显的气动相互作用，移动车辆通过桥梁作用时车辆风荷载的突变分析结果表明[10-11]：受上游列车“遮挡效应”影响时车辆的阻力系数可能为负;在强风作用下，桥梁的气动特性随列车的到达和离去而改变，车-桥间的相互气动干扰和风的非平稳特性不容忽视。此外，由于桥梁和隧道的基础条件和刚度特征存在显著差异，列车在桥隧过渡段行驶时，车辆的振动还受到基础设施刚度突变的影响，将使风-车-桥耦合动力分析更加复杂。
鉴于此，以列车-轨道-桥梁动力相互作用理论为基础[12-13]，开发车-轨-桥/隧耦合动力学理论分析模型，是研究高速铁路桥隧过渡段复杂风场环境下行车安全的主要方法，其中车-轨-桥耦合动力学分析模型可由多子系统耦合而成，车辆及其悬挂系统等效为刚体、弹簧和阻尼系统，构建多自由度的车辆动力学计算模型;轨道-桥梁和隧道结构动力学方程则基于有限元的方法进行离散，再由 Hamilton 原理构造结构的振动方程，其中轨道采用空间梁单元模拟，无砟轨道板采用板单元等效，梁体根据桥梁型式可分别采用杆单元、梁单元或板壳单元来分别模拟，隧道衬砌则采用板单元等效，然后统一构造出轨道-桥梁 (或隧道) 模型的运动方程。动态轮轨接触关系则以非线性赫兹接触理论和空间迹线法为基础，考虑轮轨接触间的动态轮廓线、法向应力和蠕滑力3项作用力;轨道不平顺则通过采用经实测结果修正的轨道功率谱函数模拟。
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在此基础上，将试验和数值仿真得到的高速列车在桥隧过渡段作用于车体气动的时变荷载谱与现有理论分析模型进行同步耦合，构建出风-车-轨-桥/隧结构的耦合动力学理论计算模型 (见图 8)。通过不同基本场景条件下风-车-轨-桥/隧结构耦合动力学耦合分析，计算结果表明：车体在桥隧过渡段的车体振动加速度、轮轨接触力、倾覆系数和轮重减载率等各项指标均出现显著大幅增加(见图9)。
4 思考与建议
鉴于高速铁路桥隧过渡段风环境的复杂性及对车辆动力学指标的不良影响，且考虑当前相关分析研究的不足，提出进一步深化研究的意见和建议。
4. 1 桥隧过渡段场景模式分类方法及其环境风特征
桥隧过渡段的风环境存在纵向突变、横向切变和列车风耦合作用，并受沟谷条件 (宽度、高度和纵向分布形态)、谷底地貌 (水面、旱地、林木等)、基础设施条件 (桥梁类型、梁体断面尺度、隧道洞口缓冲结构型式) 等多因素的影响。因此，有必要开展针对性的现场测试研究，从风场结构的角度确定桥隧过渡段的纵向影响距离、不同场景模式下风场特征曲线，并在此基础上归纳整理出高速铁路桥隧过渡段的典型场景模式，并构建不同场景模式环境风的基本特征。
4. 2 桥隧过渡段安全舒适行车管控技术体系
针对高速铁路桥隧过渡段的不同场景模式，研究列车高速通过条件下车体振动响应和轮轨接触相互作用，分别基于车辆的振动舒适性和行车安全性指标，反演出车辆舒适和行车安全2种约束条件下高速铁路的最高运行速度及其对应的安全风速，建立桥隧过渡段不同运行场景下的安全特征风曲线和舒适性特征风曲线，建立高速列车桥隧过渡段的安全舒适行车管控技术体系，确保高速列车在桥隧过渡段运行的舒适性和安全性。
4. 3 桥隧过渡段突变风智能防风措施及安全技术指标
结合桥隧过渡段的地形场景模式及其风场特征，通过风洞试验和数值仿真等手段，研究不同防风方法和防风参数等对横向切变风的影响，提出桥隧过渡段切变风的防风设计方法。以作用于车体气动荷载纵向突变效应为分析对象，通过沿桥梁纵向不同防风措施优化对比的方式，提出桥隧过渡段纵向突变风的智能防风设计方法。同时，通过气固耦合的分析和试验研究，提出各智能防风措施对应的锚固方法和安全技术指标。
4. 4 桥隧过渡段环境风在线监测及预警预报系统
在以上研究基础上，提出高速铁路桥隧过渡段环境风监测方法，包括侧带布置方式、监测仪器和技术指标，并对大风时间序列的自适应学习，确定大风的报警关联性判别准则，建立高速铁路桥隧过渡段预警预报系统等。——论文作者：何旭辉1，2，3 ， 杨伟超1，2，3
参考文献
[1]卢春房 . 中国高速铁路[M]. 北京：中国铁道出版社，2017.
[2]徐洪涛 . 山区峡谷风特性参数及大跨度桁梁桥风致振动研究[D]. 成都：西南交通大学，2009.
[3]包云，王瑞，王彤. 欧洲对高速铁路横风的研究[J]. 中国铁路，2015(3)：8-11.
